光伏电力直流供电给数据中心，并开始超导电缆验证

 运营数据中心的SAKURA Internet于8月10日，在北海道石狩市建成了输出功率200kW的“SAKURA Internet石狩光伏电站”。采用加拿大太阳能公司(Cnanadian Solar)制造的电池板，设置成45度角来防止积雪。

图1：输出功率为200kW的“SAKURA Internet石狩光伏电站”(摄影：SAKURA Internet)

这种规模的光伏电站通常与高压配电线并网，因此会在发电站内安装光伏逆变器(PCS)和升压变压器。这是由于要利用PCS把太阳能电池板输出的直流电流转换成交流，并升压至6.6kV后向高压配电线送电。

但“SAKURA Internet石狩光伏电站”rdquo;内没有设置这些用于高压并网的大体积电气设备，内部空阔宽敞。实际上，该电站所发电力不是以固定价格收购制度(FIT)出售，而是向约500m远处的“石狩数据中心”送直流电，作为该数据中心内的服务器电源消费(图2)的。该数据中心全部(预定全部8栋)运转时，约有4000机架的服务器要用电。光伏发电的电力能够全部用于自家消费，因此没有售电，而是决定公司自用。

图2：SAKURA Internet的“石狩数据中心”(摄影：SAKURA Internet)

将光伏电力投入HVDC供电

将光伏电力投入HVDC供电

10张太阳能电池板组成一个串联电路(组串)，一个接线盒并联8条电路，将发电电力转换为直流380V，经由集电箱，利用自营线向数据中心直流供电。接线盒采用带MPPT(最大功率点追踪控制)功能的产品(Nipron制造的“PV Maximizer”)，原本由PCS负责的MPPT以组串为单位处理(图3)。

图3：带MPPT(最大功率点追踪控制)功能的接线盒(摄影：日经BP社)

SAKURA Internet决定导入直接利用直流光伏电力的系统，很大程度上是因为石狩数据中心已经采用了“高压直流(HVDC)供电系统”。“HVDC供电系统”是指，将商用交流电用于服务器时，将AC/DC(交流/直流)转换次数由原来系统的3次减为1次，从而提高电力利用效率的机制(图4)。

图4：“高压直流(HVDC)供电系统”的机制(出处：SAKURA Internet)

数据中心为防备电力系统停电和瞬停，必须采用UPS(不间断电源)。UPS内置的蓄电池为直流输入输出。最终负载——服务器的心脏部主板虽也是用直流电力处理信息，但服务器自身采用首先接收交流电力的设计。因此，一般的数据中心都会进行先接受商用交流电力，在UPS内转换为直流后，再回到交流的“AC/DC/AC”处理。输出的交流电力由各服务器内的电源单元再作转换为直流的“AC/DC”处理后提供给主板。

优先利用光伏电力

而HVDC供电系统，则是交流受电转换为直流，再利用蓄电池，经由直流配电盘，从直流集中电源装置向“DC服务器”供电(图5、图6)。“DC服务器”是没有独立电源单元的产品，可直接输入直流12V的电力。

图5：数据中心内的直流配电盘(摄影：日经BP社)

图6：没有各自电源单元的DC服务器(摄影：日经BP社)

在石狩数据中心，是将直流受电的光伏电力(DC380V)供给HVDC供电系统的直流电路，来优先利用的。该数据中心相应于供电情况，是按照光伏电力、商用电力、蓄电池放电的次序，为服务器供电的。最优先利用来自光伏电站的直流380V电力;次之是光伏电站不发电时，从电力公司受电、并由交流转换为直流的340V电力。当光伏电站不发电，商用电力也停电时，才利用来自蓄电池的直流264V电力(图7)。

图7：按优先序利用三种电源的机制(出处：SAKURA Internet)

这三种电源，越优先使用的电源，设定的电压越高。因此，据称即使不主动控制电源选择，也会按照光伏电力→商用电力→蓄电池的优先顺序，自动从集中电源装置向服务器供电。

SAKURA Internet表示，采用HVDC供电系统，系统整体的功率效率可提高15%，运行成本也可降低。但以直流12V输入为前提的DC服务器的产量还比较少，存在价格较贵的课题。今后，如果HVDC供电系统的采用增加，DC服务器的产量扩大，则包括初期投资在内的经济效益有望进一步提高。

换成超导电缆

SAKURA Internet还参与了放眼未来的直流送电实证项目。8月10日开始运转时，“石狩光伏电站”所发电力是利用铜线电缆向数据中心直流供电的，但9月24日换成了高温超导电缆。直流的供电损失原本就比交流少，用高温超导电缆后，损失能进一步减少。与利用铜线输送交流电力相比，利用超导电缆输送直流电力可减少一半的损失。

另外，该公司还率先实施了利用超导电缆输送交流电力的尝试，但交流特有的电感损失，利用超导电缆也无法减少。还有，交流送电需要三条电缆，而直流供电最低只需一条，在节省空间上也有优势。

由于具备这些优点，目前，全球纷纷开始了实施超导直流供电系统的实证事业。其中韩国和俄罗斯等尤为热心，包含计划在内，已经有500m～2.5km左右的实证项目发表。在日本，中部大学成功实现了200m的供电。

此次石狩的实证事业由“石狩超导直流供电系统技术研究联盟”实施。该联盟是为了共同研究并试验超导直流供电及其相关技术，由千代田化工建设、住友电气工业、中部大学及SAKURA Internet于2014年1月成立的。石狩市的实证项目是经济产业省的委托事业。

该联盟首先在SAKURA Internet石狩光伏电站与石狩数据中心之间的500m地下1.2m深处埋设了住友电工制造的高温超导电缆，已开始直流供电光伏电力。电缆在双重隔热管中以-196℃的液氮冷却，铋线的电阻为零。在供电光伏电力之前，于8月上旬先将商用电力转换为直流，进行了试供电，确认具备5kA、100MVA的供电能力。这相当于约3万户家庭的用电量。

在公路下敷设超导电缆

据称此为世界最长距离的超导电缆的直流供电。另外，在公路下敷设尚属日本首例。

石狩光伏电站隔壁和石狩数据中心，均建有约三层楼高的厂房，超导电缆的末端在此露面(图8)。进入厂房就可看到，一楼有采用液氮的冷却系统和制冷机等，用来向地下室的超导电缆输送液氮(图9)。

图8：厂房地下室里的超导电缆末端(摄影：日经BP社)

图9：利用液氮的冷却系统(摄影：日经BP社)

高温超导电缆作为节能系统，当供电损失的削减量大于冷却所需的电力量才是有意义的。因此，要求采用抑制热渗透的高级隔热技术。其中发挥重要作用的，是封入了液氮、相当于保温瓶的“超导电缆管”。此次是将每根12m的电缆管连接至500m长。

石狩的实证事业通过采用新的双重隔热管构造等，将供电电路的热损失降至1.5W/m以下，约为原来的一半。另外，液氮循环时的损失削减至原来的约四分之一。

第二阶段将延长至1km

高温超导电缆实用方面的课题，是存在冷却收缩的问题。一般情况下，电缆和双重隔热管从室温下开始冷却会收缩约0.3%左右。500m电缆收缩就会有1.5m。因此，除了采用以螺旋状变形吸收收缩的构造外，不固定电缆的两端，而是将其放置在导轨上。这样，两端会经由伸缩护罩滑动，从而可以吸收收缩(图10)。

图10：不固定电缆末端，而是放在导轨上，可吸收收缩(摄影：日经BP社)

该联盟在石狩市实施的实证事业主要由两个阶段构成。第一阶段利用约500m的高温超导电缆连接光伏发电设备和数据中心，在数据中心直接利用光伏发电的电力。第二阶段预定在2018年3月底之前铺设约1km的超导电缆，并实验性地直流送电。

目前已开始在石狩数据中心附近的用地开始了1km超导电缆的敷设工程。在长约500m的占地内折返来保证1km的距离。据称计划利用光伏电站与数据中心之间的直流送电成果，实施在更长距离上提高经济效益等的试验。

第二阶段将采用新款超导电缆管。此为用辐射屏蔽膜包覆双重隔热管内的电缆配管，可进一步提高隔热效果。据称供电电路的热损失可降至0.7～1.0W/m。

另外，超导电缆管将在地上设置。原本，最理想的方式是埋设在温度变化较小的地下，但受实证预算的限制而放弃了埋设。但据称，预定将利用在地上设置这一点，验证电缆管周围的环境变化对供电性能的影响等(图11)。

图11：第二阶段预定在地上铺设，长度延长至1km(摄影：日经BP社)